CN105261838B - 一种单层三频微带反射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单层三频微带反射阵列天线，包括：馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括：若干个均匀排列于介质基片上表面的十字形振子单元和圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元；所述十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于X波段和Ku波段，所述的多谐振单元工作于Ka波段。本发明的单层三频微带反射阵列天线通过设置的十字形振子单元和多谐振单元，并充分考虑各波段之间的互耦影响，使得该天线能够同时工作在X/Ku/Ka三个频段，且为单层结构形式，使反射阵列天线的口径得到了充分的复用；本发明的微带反射阵列天线具有良好的多频辐射性能，其结构相对简单，易于工程实现，具有较高的工程应用价值。

Description

一种单层三频微带反射阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种单层三频微带反射阵列天线。

背景技术

雷达、卫星通信、太空探测技术以及其他远距离无线传输系统要求天线具有高增益、高效率、波束扫描等性能，传统的高增益天线主要包括抛物面天线或者阵列天线。抛物面天线虽然结构简单、工作频带宽，但是其庞大笨重、隐蔽性差、难于加工，而且需要机械转动实现波束扫描。微带阵列天线加工简单，通过控制单元的相位实现波束的扫描，扫描方式灵活且范围较大，但是其馈电网络复杂，传输损耗大，效率难以得到保证，而且其加载的有源器件价格昂贵。而微带反射阵列天线很好的克服了上述两种天线的缺点，它具有重量轻、体积小、平面结构、加工成本低、制作简单、易与其他物体共形等优点，使得其无论在军事领域还是在民用领域中都具有很高的应用价值。

传统的微带反射阵列天线的带宽通常都较窄，因此实现多频或者口径复用是非常有意义的。在现有的文献中，大多数的多频都局限于双频，而对于三频段及以上的设计较少。在多频微带反射阵的设计中，常见的有三类：一，采用分形单元实现双频或者多频工作，分形单元的自相似性和自加载特性可以用来实现多频工作或者展宽带宽；它的缺点是不同频率之间影响较为严重，且大多数都是用来实现双频性能，而用在反射阵天线上实现三频性能的很少。二，将高低频段的单元都置于同一层介质上的单层结构形式，在这种情况下，大多数都是对于双频而言的，Fan Yang等人在2007年提出了单层三频段的微带反射阵，该反射阵工作在C/X/Ka三个频段内，其中C波段和Ka波段为圆极化工作，X波段为线极化，单层结构的优势在于上层对下层没有遮挡及损耗，避免了双层之间的相互影响，但不同频率单元之间的互耦较大；三，将不同频段的单元置于不同的介质层上的双层结构形式，此类主要是针对双频来说的，低频阵面置于高频阵面之上或者高频阵面置于低频阵面之上，这两种形式都可以实现双频工作。但是，双层结构形式具有其固有的缺点：首先，上层单元及其地板对于下层单元的遮挡会对下层单元工作的频段的增益有很大的影响；其次，下层单元激发的谐振模式会影响上层单元阵列的增益和副瓣；再次，双层结构难以对齐，且加工成本高。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术中采用的反射阵天线难于实现三频段工作的技术问题，本发明提出了一种单层三频微带反射阵列天线，其工作频段为X/Ku/Ka三个频段，对于微带反射阵列天线实现多频或者口径复用来说具有重要的参考价值。

为了实现上述目的，本发明提供的一种单层三频段微带反射阵列天线，其工作频段为X/Ku/Ka三个频段，所述天线包括：馈源和微带反射阵列，所述微带反射阵列包括：若干个均匀排列于介质基片上表面的十字形振子单元和圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元；

所述十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于微带反射阵列天线中X波段和Ku波段，该十字形振子单元可以在不同的极化方向上实现不同的工作频率；所述的多谐振单元工作于Ka波段。充分考虑不同频率单元之间的相互影响，合理选择单元形式，结果表明上述结构的微带反射阵列具有良好的多频辐射性能且不同频段之间相互影响很小。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的馈源采用角锥喇叭天线。

作为上述技术方案的进一步改进，为了减小馈源遮挡对反射阵天线辐射性能的影响，所述的X波段和Ku波段的馈电方式为偏馈，馈源的入射角为30°；所述Ka波段的馈电方式为正馈。

作为上述技术方案的进一步改进，所述圆环的内径r₁表示为：

r₁＝0.8*r

其中r表示圆环的外径。

作为上述技术方案的进一步改进，所述圆的半径r₂表示为：

r₂＝0.64*r

其中r表示圆环的外径。

作为上述技术方案的进一步改进，所述圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元的栅格周期为十字形振子单元栅格周期的一半。

上述技术方案中，所述三频段微带反射阵列天线中X波段和Ku波段工作在单线极化，Ka波段可以工作在双线极化。所述的单线极化是指本发明中X/Ku波段只能工作于y/x方向的线极化波，而对于x/y方向的线极化波不具有聚焦功能。所述的双线极化是指本发明中Ka波段既可以工作在x方向的线极化波，也可以工作在y方向的线极化波。

本发明的一种单层三频微带反射阵列天线的优点在于：

本发明的单层三频微带反射阵列天线通过设置的十字形振子单元和多谐振单元，并充分考虑各波段之间的互耦影响，使得该天线能够同时工作在X/Ku/Ka三个频段，且为单层结构形式，使反射阵列天线的口径得到了充分的复用；本发明的微带反射阵列天线具有良好的多频辐射性能，其结构相对简单，易于工程实现，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种单层三频微带反射阵列天线中阵列表面结构图。

图2为本发明中的十字形振子单元结构示意图。

图3为本发明中的多谐振单元结构示意图。

图4a为Ka波段单元对X/Ku波段单元影响的单元互耦作用分析模型。

图4b为X/Ku波段单元对Ka波段单元影响的单元互耦作用分析模型。

图5为本发明中的微带反射阵列馈电方式示意图。

图6为X波段单元在Ka波段单元互耦作用下的反射相位曲线(10GHz)。

图7为Ku波段单元在Ka波段单元互耦作用下的反射相位曲线(13.58GHz)。

图8为Ka波段单元在X波段和Ku波段单元互耦作用下的反射相位曲线(23.8GHz)。

图9为X波段的辐射方向图(10GHz)。

图10为Ku波段的辐射方向图(13.58GHz)。

图11为Ka波段的辐射方向图(23.8GHz)。

附图标记

1、馈源 2、微带反射阵列 3、介质基片

4、十字形振子单元 5、多谐振单元

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种单层三频微带反射阵列天线进行详细说明。

本发明的一种单层三频微带反射阵列天线，包括：馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括：若干个均匀排列于介质基片上表面的十字形振子单元和圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元；所述十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于X波段和Ku波段，所述的多谐振单元工作于Ka波段。

基于上述结构的微带反射阵列天线，如图1所示，所述的微带反射阵列是由不同频段的单元交错排列在介质基片3上构成的。其中X波段和Ku波段的单元采用十字形振子单元4结构，Ka波段的单元采用圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元5结构形式。由于反射阵列上的各个单元到馈源天线的距离不同，所以会导致各个单元之间存在相位差，为了使反射阵列能实现聚焦波束，经反射阵列天线上的各个单元反射之后的波应保持相同的相位，本发明中微带反射阵列在不同位置处的单元尺寸不同，用来补偿反射阵列各个单元由于距离差带来的相位差。

采用下列公式来计算出每个频段在各个单元位置处分别所需补偿的相位大小：

其中，k₀是真空中的传播常数，不同的频率对应的传播常数不同；(x_i,y_i)是第i个单元的中心坐标；d_i代表馈源相位中心到第i个单元的距离；(θ₀,φ₀)为反射阵的辐射方向；Φ_R(x_i,y_i)就是第i个单元所需补偿的相位。

确定了各个频段中心频率处的反射相位曲线和各个单元所需补偿的反射相位之后，根据所需补偿的相位值在反射相位曲线上对应出阵元尺寸的大小。

如图2所示，由于十字形振子单元在x方向和y方向相互独立，所以可以利用该单元形式在不同的极化方向实现不同的工作频率。分别调节十字形振子单元的两个方向的尺寸，让其一个方向尺寸变化实现一个频段的相位补偿，另一个方向的尺寸变化实现另一个频段的相位补偿。这样一个十字形振子单元就可以工作在两个频段。本发明中利用该十字形振子单元同时工作在X波段和Ku波段，其中当十字形振子单元工作在Ku波段时入射波的极化方向为x方向，当单元工作在X波段时入射波的极化方向为y方向。X波段和Ku波段单元的栅格周期L可设计为14mm，十字形振子单元的介质厚度设计为1.3mm。介质越厚，单元反射相位曲线线性度越好，但是其反射相位范围就会越小，综合考虑单元反射相位曲线的线性度和反射相位范围，本发明中选定介质厚度为1.3mm。

如图3所示，该单元是由圆环跟圆同轴组成的多谐振单元结构形式，该结构形式可以大大增加单元的反射相位范围，从而一定程度上扩展其带宽。其介质厚度可设计为1.3mm，圆环外半径为r，圆环内半径为r₁，圆的半径为r₂，其中r₁＝0.8*r，r₂＝0.64*r，通过上述尺寸设计能够使Ka波段单元的反射相位曲线在线性度较好的同时具有较大的反射相位范围。Ka波段单元的栅格周期L₁可取Ku波段栅格周期L的一半，即L₁＝7mm，从而避免Ka波段单元会与Ku波段单元发生交叠。

如图4a所示，该图是用来分析Ka波段单元对X/Ku波段单元的互耦作用，当存在Ka波段的单元时，分析X/Ku波段单元的反射特性。如图4b所示，该图是用来分析X/Ku波段单元对Ka波段单元的互耦作用，当栅格内存在X/Ku波段的单元时，分析Ka波段单元的反射特性。

如图5所示，为了减小馈源1遮挡效应对微带反射阵列2辐射性能的影响，X波段和Ku波段可采用偏馈的馈电方式，其馈源1均为角锥喇叭天线，入射角为30°，当微带反射阵列工作在X波段时，其馈源极化方式为y方向的线极化；当微带反射阵列工作在Ku波段时，其馈源极化方式为x方向的线极化；此时辐射的波束指向均为垂直于阵面方向。而Ka波段可采用角锥喇叭天线正馈的馈电方式，辐射方向也为垂直阵面方向。

在高频电磁仿真软件HFSS中对单元的反射特性进行分析，分析时考虑了不同频段单元之间的互耦影响，得出各波段的反射相位曲线：图6给出了当存在Ka波段单元时，十字形振子单元工作在10GHz(X波段)处的反射相位曲线，图7给出了当存在Ka波段单元时，十字形振子单元工作在13.58GHz(Ku波段)处的反射相位曲线，图8给出了当存在X/Ku波段单元时，圆环跟圆同轴组成的多谐振单元工作在23.8GHz(Ka波段)处的反射相位曲线。

如图9所示，为本发明的单层三频段微带反射阵列天线工作于10GHz(X波段)的辐射方向图，从图中可以看出，当反射阵列工作在10GHz时，其辐射增益为19.1dB。

如图10所示，为本发明的单层三频段微带反射阵列天线工作在13.58GHz(Ku波段)的辐射方向图，从图中可以看出，当反射阵列工作在13.58GHz时，其辐射增益为20.9dB。

如图11所示，为本发明的单层三频段微带反射阵列天线工作于23.8GHz(Ka波段)的辐射方向图，从图中可以看出，当反射阵工作于23.8GHz时，其辐射增益达到了30.82dB。

由图9、图10和图11中显示的数据可知，本发明的单层三频微带反射阵列天线在X/Ku/Ka三个频段内均有良好的辐射性能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种单层三频微带反射阵列天线，其特征在于，包括：馈源和微带反射阵列；所述的微带反射阵列包括：若干个均匀排列于介质基片上表面的十字形振子单元，所述十字形振子单元的两个垂直的臂所划分的四个区域上设置圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元；所述十字形振子单元通过两个相交的方向分别工作于X波段和Ku波段，所述的多谐振单元工作于Ka波段；在微带反射阵列的不同位置处的多谐振单元尺寸不同，所述圆环跟圆同轴组合而成的多谐振单元的栅格周期为十字形振子单元栅格周期的一半。

2.根据权利要求1所述的单层三频微带反射阵列天线，其特征在于，所述的馈源采用角锥喇叭天线。

3.根据权利要求2所述的单层三频微带反射阵列天线，其特征在于，所述的X波段和Ku波段的馈电方式为偏馈，馈源的入射角为30°；所述Ka波段的馈电方式为正馈。

4.根据权利要求1所述的单层三频微带反射阵列天线，其特征在于，所述圆环的内径r₁表示为：

r₁＝0.8*r

其中r表示圆环的外径。

5.根据权利要求1所述的单层三频微带反射阵列天线，其特征在于，所述圆的半径r₂表示为：

r₂＝0.64*r

其中r表示圆环的外径。